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Alineamiento de máquinas axiales de ensayos

9. Descripción de los ensayos realizados

Se han llevado a cabo una serie de ensayos de verificaciones de alineamiento en máquinas universales de ensayo, con los que se han obtenido una serie de datos con los que poder implementar las ecuaciones que se han deducido anteriormente.

Dichos ensayos se han llevado a cabo en máquinas axiales de las marcas Instron y Zwick. El software de ambas máquinas es diferente aunque la forma de utilizarlo es muy parecida. Se expondrá en principio una breve descripción del ensayo, resultados obtenidos en forma de tabla y gráfico y posteriormente se analizarán los resultados y se sacarán conclusiones comentando las similitudes y diferencias intentando obtener conclusiones generales.

Ensayos en máquinas Instron

Se ha realizado el alineamiento de una máquina universal de ensayos estáticos Instron 8801, de hasta 100 kN y provista de sistema de alineamiento Align Pro. Se realizó un primer alineamiento con el software Align Pro y posteriormente una verificación de alineamiento con un programa de lectura de bandas. Con las fórmulas proporcionadas en la ASTM E1012 se hicieron los cálculos de máximo porcentaje de flexión, comprobando que estos valores quedan dentro de los límites necesarios para cada tipo de material y/o ensayo (en este caso según los requerimientos de la propia ASTM E1012 o los que establece Nadcap).

Ensayos máquinas Zwick

Zwick también posee un software propio para realizar el alineamiento de la máquina de ensayos universal. En la máquina Z100 (de hasta 100 kN en estático, con célula de carga de 100 kN) se realizó un alineamiento a tracción y la máquina universal de ensayos Z250 con célula de carga de 250 kN se ha realizado un alineamiento a compresión.

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9.1 Alineamiento y Verificación de alineamiento con máquina de ensayos Instron 8801

Aquí hay que diferenciar entre el alineamiento de la máquina, que se realiza con el software ALIGNPRO y la verificación del alineamiento que se realiza con el software de ensayos de la propia máquina y el de lectura de bandas, donde se pueden programar las fórmulas indicadas en la ASTM E1012 Rev.12 y obtener directamente los resultados y su representación gráfica. En el alineamiento se hace uso del software que proporciona el fabricante para determinar el desalineamiento que tiene la máquina e intentar ajustarla mediante el módulo de alineamiento de que dispone la máquina situado por encima de la célula de carga en la parte superior (cruceta) del bastidor.

En la verificación del alineamiento simplemente se aplican una serie de cargas para verificar que los valores obtenidos quedan dentro de rango.

En la siguiente tabla se muestra un resumen de las condiciones que impone NADCAP para ensayos de tracción y/o compresión. En los ajustes hechos con el ALIGNPRO se consiguió el requisito estático para material no metálico (por debajo de un 8% de flexión en los tres puntos de control). La siguiente verificación que realizamos fue para que la máquina cumpliera los requisitos para ensayos dinámicos (verificando que se quedaba por debajo de un 5%).

DINÁMICO ESTÁTICO

Requisito Capacidad %flexión

máx Carga

% Carga (kN)

Deformación (µƐ)

%flexión máx.

Carga %

Carga (kN)

Deformación (µƐ)

INS

TR

ON

880

1

METÁLICO

100

±5

10 10 -

±10

10 10 -

100 20 20 - 20 20 -

100 40 40 - 40 40 -

NO METÁLICO

100 ±5 - - 1000 ±8 - - 1000

ZW

ICK

250

METÁLICO

250

±5

10 25

±10

10 25 -

250 20 50 20 50 -

250 40 100 40 100 -

NO METÁLICO

250 ±5 N/A N/A 1000 ±8 - - 1000

Tabla 5: Tabla de requerimientos Nadcap en función de la capacidad de cada máquina y el tipo de ensayo

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9.1.1 Alineamiento de la máquina universal de ensayos Instron 8801

Normalmente el alineamiento suelen realizarlo los propios técnicos de Instron. Utilizando su probeta de alineamiento y mediante el software AlignPro aplican cargas y miden los porcentajes de flexión que se producen en las dos direcciones del plano transversal a la longitud de la probeta.

Figura 16: Pantalla de inicio del programa AlignPro

En la figura 16 vemos la pantalla de inicio del programa.

Algunos consejos para realizar correctamente el alineamiento

Es recomendable hacer una precarga a las probetas de alineamiento nuevas para inicializar las bandas, para evitar errores en la lectura.

Para realizar esta precarga hay que asegurarse que la célula de carga puede proporcionar una fuerza que cree una deformación axial de al menos 1500 µ . Se aplica esta carga, se mantiene durante 60 segundos y se vuelve a carga cero. Se mantiene 60 segundos y se repite este ciclo de carga-descarga 3 veces.

Para una buena repetibilidad en los resultados hay que usar las mordazas adecuadas a cada probeta de alineamiento. A menudo, una elección incorrecta de estos elementos provoca resultados pobres en repetibilidad. Las probetas de alineamiento tienen que poder ser

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colocadas y extraídas de las mordazas con garantías de buenos resultados de repetibilidad.

Hay que seleccionar la casilla correcta del programa, ya que existen dos entradas. Una permite medir el alineamiento y otro permite ajustarlo. En este caso nos centramos en el que nos permite ajustarlo, ya que para medirlo se utiliza simplemente la lectura de las bandas, sin tener que ejecutar este programa.

9.1.1.1 Cargas necesarias para ensayos de alineamiento

Aplicar la carga correcta a la probeta de alineamiento es importante para asegurar la medición y el ajuste del alineamiento. En general, suelen usarse cargas más altas para la verificación del alineamiento que para el ajuste. Las cargas más bajas son más sensibles a los ajustes y hacen el proceso de alineamiento más exacto.

9.1.1.2 Probetas de alineamiento

Instron tiene sus propias probetas para alineamiento, aunque en todos los ensayos se han utilizado probetas fabricadas por el laboratorio que usa las máquinas, adecuando sus dimensiones a las necesidades de los ensayos que se realizan. En este caso hay que introducir una serie de datos importantes en el programa. Instron recomienda que se realicen los ajustes de alineamiento en torno a las 300 µ y la verificación en torno a las 1200 µ .

Para calcular la fuerza a aplicar en cada caso, se puede utilizar la siguiente fórmula:

F A E (N)

F=carga a aplicar (N)

A= área transversal de la probeta en la zona donde están colocadas las bandas extensométricas (mm2)

E=módulo de Young del material de la probeta en MPa

= microdeformaciones (300-1200 µ )

9.1.1.3 Instalación de las probetas en las mordazas

La medida del alineamiento requiere la instalación de la probeta en distintas orientaciones como vimos anteriormente.

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Se debe colocar la probeta correctamente, para ello la mordaza deberá sujetar la probeta en una zona situada entre el 75 y el 100% de la zona de agarre, como se muestra en la Figura 17.

Figura 17: Zona de agarre correcta para la probeta de alineamiento [Ref. Manual AlignPro Figura 3-1]

9.1.1.4 Corregir el desalineamiento

Para corregir el desalineamiento, las máquinas de ensayos Instron tienen un accesorio, el módulo de alineamiento, como el que se muestra en la figura 18.

Figura 18: Accesorio y convención de direcciones para el alineamiento de máquinas Instron con AlignPro. [Ref. Manual AlignPro figura 4-1]

El accesorio para alineamiento de las máquinas Instron nos permite ajustar la máquina para corregir errores de concentricidad y errores angulares a través

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de unos tornillos que pueden girarse a derechas o a izquierdas en función del desequilibrio que haya que corregir.

Una vez ejecutado el programa para alinear la máquina, se nos muestra una gráfica como la de la figura 19.

Figura 19: Ejemplo de la gráfica que se obtiene al ejecutar el programa AlignPro para alinear una máquina de ensayos.

Las líneas acabadas con una “x” muestran la dirección en la que ocurre el error. La longitud de la línea nos da una idea de lo grande que es el error que se produce. Cuanto más larga es la línea, mayor es el error. El punto central de este círculo representaría el estado de alineamiento perfecto.

Por regla general no suele darse un desalineamiento puramente angular o puramente concéntrico, sino que suele presentarse como una combinación de los dos tipos. El la figura 20 se muestra gráficamente la colocación de las mordazas de la probeta (de forma muy exagerada) que provoca cada uno de dichos errores.

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Figura 20 a y b: representación gráfica de error concéntrico y error angular.

Por regla general, se recomiendan hacer los ajustes poco a poco, es un proceso de prueba-error. Se recomienda ajustar primero el error angular y una vez conseguida la mejora de este, proceder con el error de concentricidad. Si al tocar este último el resultado final no es el deseado, habrá que repetir este paso y volver a ajustar, primero angularidad y por último concentricidad.

Algunos ejemplos de certificados de alineamiento resultado del uso de este programa se muestran en los anexos A4.

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9.2.3 Verificación de alineamiento a tracción máquina universal de ensayos Instron 8801

A continuación se muestra la representación gráfica de la lectura de las bandas de los ensayos de verificación de alineamiento realizados en una máquina universal de ensayos Instron 8801. La probeta utilizada para dicha verificación es una probeta cilíndrica de acero, y lleva colocada 4 bandas extensométricas equidistantes, en la parte superior, central e inferior de la probeta, como la que se muestra en la figura 6. Para cada sección de la probeta (superior, media e inferior) y a través de la lectura de las bandas, se representa por un lado carga frente a microdeformaciones y justo debajo la evolución del PBS (en tanto por ciento) frente al ratio de carga (en tanto por ciento). Se mostrarán a continuación algunos resultados más significativos para explicarlos e interpretarlos. Para consultar el resto de gráficas de los ensayos realizados, puede consultarse el Anexo 3.

Veamos primero las gráficas correspondientes a la lectura de las bandas con una carga de 20 kN:

Figura 21 : Representación deformación‐carga de la sección superior para 20KN

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Figura 22: representación del PBS frente al ratio de carga (para 20 KN, sección superior)

Figura 23: Representación deformación‐carga de la sección media para 20KN

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Figura 24: representación del PBS frente al ratio de carga (para 20 KN, sección media)

Figura 25: Representación deformación‐carga de la sección inferior para 20KN

Figura 26: representación del PBS frente al ratio de carga (para 20 KN, sección inferior)

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En las figuras 21 y 22 se muestran las gráficas obtenidas con la lectura de las bandas colocadas en la sección superior. En la figura 21 puede apreciarse la separación entre la línea de carga de las bandas 1 y 2 con respecto a la línea de carga de las bandas 3 y 4. Cuanto menos separación haya entre estas líneas mejor resultado de alineamiento se obtiene. En este caso se obtiene un porcentaje de flexión del 4.4 % frente al 2,67% que se obtiene en la sección media (figuras 23 y 24) y al 2% que se obtiene en la sección inferior (figuras 25 y 26 donde podemos ver que las líneas de carga están mucho más juntas una de la otra). Esto puede deberse a que la parte inferior de la probeta es la primera que se ajusta a la mordaza, consiguiéndose un buen apoyo entre mordaza y superficie de la probeta (es el punto en el que hemos aplicado la hipótesis de empotramiento perfecto), cosa que en caso de que las superficies de la probeta no sean totalmente perpendiculares o no se produzca buen apoyo entre la mordaza superior y la probeta se reflejará en los resultados de este modo.

En la gráfica de carga frente a desplazamiento de la sección media (figura 23) podemos sacar una observación adicional: las líneas comienzan algo separadas y al aumentar la carga, ese desalineamiento mejora, esa es una tendencia que suele ocurrir siempre (a mayores niveles de carga obtenemos mejores resultados de alineamiento en ensayos a tracción).

Volviendo a las ecuaciones anteriormente implementadas en el apartado 8, comparando el problema con el de una viga biempotrada, somos capaces de determinar gráficamente qué parte de ese desalineamiento corresponde a la parte angular y cuál a concéntrico o lineal, sin necesidad de disponer en nuestra máquina de ensayos de un software específico que determine dicho desalineamiento y nos indique cómo corregirlo. Veamos un ejemplo con los datos mostrados anteriormente para una carga de 20KN a tracción y posteriormente con la misma probeta y en las mismas condiciones pero para una carga de 40KN. En este caso tomaremos los datos entre el plano inferior y el medio, e inferior y superior. En este caso particular, nuestra probeta de alineamiento tiene un radio de 5mm y una distancia entre bandas de 12.5mm.

Haciendo uso de la ecuación [25]:

LL

x R

L31

03

01

2

0 26

y

LL

y R

L42

04

02

2

0 26

Y sustituyendo en ella los valores de la lectura de las bandas para un nivel de carga de 20 KN, obtenemos los valores de δ0x (con la lectura de las bandas 1 y 3) y δ0y (con la lectura de las bandas 2 y 4) mostrados en la tabla y

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representados en la figura 27. Se obtiene un vector para los valores de lecturas de bandas del plano inferior (superíndice 0) y medio (superíndice L),donde la longitud considerada es la longitud entre ambos planos de bandas e igual a 12.5mm y otro vector para las lecturas comprendidas entre los planos inferior y superior, donde la longitud considerada en este caso es de 25mm.

Figura 27 : Representación de desalineamiento concéntrico calculado con la lecturas de las bandas 1 y 3 (para la componente x) y 2 y 4 (para la componente y) de los planos superior, medio e inferior para un nivel de carga de 20KN.

En la figura anterior (figura 27) podemos observar la representación gráfica del vector de desalineamiento que representa la parte concéntrica de nuestra probeta circular de 10 mm de diámetro. El PBS obtenido en este caso es del 4.42%. Los componentes de los vectores de desalineamiento concéntrico o linear se pueden apreciar en la tabla 6.

Inferior-Medio Inferior-Superior

δx (µm) δy (µm) δx (µm) δy (µm)

-1374 -1663 -6639 -10842

Tabla 6: Componentes del vector desalineamiento lineal para nivel de carga de 20KN

Veamos ahora la representación del desalineamiento angular para esta misma probeta. En este caso se ha sustituido la lectura de las bandas para un nivel de carga de 20 KN en la ecuación [22].

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Figura 28: representación del desalineamiento angular para una carga de 20 KN.


θx (mrad) θy (mrad) θx ((mrad) θy (mrad)

0.0215 0.0294 0.0506 0.0868

Tabla 7: Componentes del vector desalineamiento angular para nivel de carga de 20KN

Podemos observar en los resultados obtenidos en la tabla 7 que el desalineamiento angular presenta unos valores muy pequeños. En este caso el desalineamiento sería principalmente lineal o concéntrico.

Ahora veamos la representación de la lectura de las bandas para una carga de 40 KN en la misma probeta.

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Figura 29: Representación de desalineamiento concéntrico calculado con la lecturas de las bandas para un nivel de carga de 40 KN.

El valor de PBS obtenido en este caso es de 2.04%, algo inferior que para la carga de 20 KN. Los valores obtenidos de la sustitución de la lectura de las bandas en las ecuaciones [22] y [25] son los que se muestran en las tablas 8 y 9.


δx (µm) δy (µm) δx (µm) δy (µm)

639 -358 -2351 -1631

Tabla 8: Componentes del vector desalineamiento lineal para nivel de carga de 40KN

Vemos que se cumple la tendencia de que para verificaciones de alineamiento a tracción, a mayores niveles de carga, y a igualdad de otras condiciones, mejora la medida del alineamiento de una máquina.

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Figura 30: representación del desalineamiento angular para una carga de 40 KN.

Y los valores numéricos en este caso son los mostrados en la siguiente tabla:


θx (mrad) θy (mrad) θx (mrad) θy (mrad)

0.0012 -0.0130 0.0008 -0.0199

Tabla 9: Componentes del vector desalineamiento angular para nivel de carga de 40KN

En este caso se sigue manteniendo que el desalineamiento lineal es mayor que el anguar (se trata de misma máquina y probeta en la misma tanda de ensayos y lo único que ha variado es el nivel de carga). Y efectivamente los “niveles” de desalineamiento descienden al aumentar el nivel de carga.

Probando diferentes niveles de carga y orientaciones de la probeta, podríamos guiarnos para saber cómo deberíamos proceder para mejorar el nivel de alineamiento de nuestra máquina.

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9.2 Verificación de alineamiento a compresión de máquina universal de ensayos Zwick Z250 a compresión

NOTA: Zwick también dispone de un programa para alinear sus máquinas de ensayos y corregir los errores de angularidad y concentricidad, pero por las similitudes con el explicado en el apartado anterior no vamos a explicar su funcionamiento.

Analizaremos ahora unas gráficas obtenidas con la verificación de alineamiento de una máquina universal de ensayos Zwick Z250. En este caso el alineamiento se hizo a compresión, y vamos a observar algunas diferencias que se aprecian entre los resultados obtenidos a tracción y a compresión. El tipo de probeta utilizada es diferente a la empleada en el caso anterior. Se trata en este caso de una probeta plana con una banda colocada en el centro de una de las caras y la otra banda justo en el lado opuesto en la otra cara de la probeta. Esta verificación se realizó de esta manera porque la mayoría de las compresiones que se realizan en este laboratorio son por la AITM 1-0008, y esta es la geometría descrita en dicha norma.

Iteración 1

Figura 30: Carga frente a deformaciones para ensayo de compresión hasta 30KN

Figura 31: Carga frente a desplazamiento para ensayo de compresión hasta 30KN

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Figura 32: Parámetro de flexión (PBS) frente a ratio de carga para ensayo de compresión hasta 30KN

Como hemos explicado antes, en este caso, esta probeta sólo lleva colocada una banda en cada cara, en el centro.

Si observamos primero la gráfica de carga frente a deformación, al aumentar la carga de compresión, no mejoran los resultados de alineamiento y la lectura de las bandas en ambas caras tienden a ser líneas divergentes.

En este caso influye mucho el que la geometría de la probeta sea correcta y que las mordazas se encuentren en perfecto estado. Si no es así, el mal apoyo entre probeta y mordaza puede favorecer resultados muy pobres en cuanto a alineamiento.

En las siguientes gráficas (Figuras 33 a 41) se muestran los resultados de las iteraciones 2,3 y 4, donde puede apreciarse que en este caso las líneas de las gráficas de carga frente a deformación (por ejemplo, en la figura 39) son casi coincidentes, lo que es señal de un buen alineamiento.

En este caso el nivel de carga aplicado fue de 30 KN, alcanzándose unas deformaciones de unas 1000µε.

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Iteración 2




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Iteración 3




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Iteración 4




La única diferencia entre la Iteración 1 y las otras 3 iteraciones es que se hizo un cambio en las mordazas de la máquina, consiguiéndose con estas últimas un mejor apoyo entre mordaza y probeta (debido a que las otras mordazas no se encontraban en buen estado). En el caso de un ensayo de alineamiento

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donde se exige que la probeta se realice con materiales con unas determinadas características mecánicas, en los resultados a compresión es fácil observar en los resultados de alineamiento las imperfecciones de probeta o mordazas. Cuando lo que se ensaya es una probeta de carbono, al aplicar la compresión y por las propias características del material de la probeta, se produce un mejor asiento, disimulándose en muchas de las ocasiones estas imperfecciones.

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